太平洋年代际变率的时空结构及其与中国气候变率的联系
  • 【摘要】

    本文利用长期的全球海洋大气再分析资料、中国降水气温站点观测资料以及全球海洋环流模式(MOM2)、全球大气环流模式(CCM3)系统分析和模拟了太平洋海气系统年代际变率的时空特征,并揭示了其与东亚大气环流及中国气候年代际变异的联系,以及其作为年际变率的年代际背景对ENSO与中国气候异常关系的调制作用。主要结论如下: 一、太平洋海气系统年代际变率的关键区和时空特征太平洋海气系统年代际变率的主要表... 展开>>本文利用长期的全球海洋大气再分析资料、中国降水气温站点观测资料以及全球海洋环流模式(MOM2)、全球大气环流模式(CCM3)系统分析和模拟了太平洋海气系统年代际变率的时空特征,并揭示了其与东亚大气环流及中国气候年代际变异的联系,以及其作为年际变率的年代际背景对ENSO与中国气候异常关系的调制作用。主要结论如下: 一、太平洋海气系统年代际变率的关键区和时空特征太平洋海气系统年代际变率的主要表现为太平洋年代际振荡(PDO),其关键区位于北太平洋中西部、北美西岸及热带中东太平洋,且主信号位于北太平洋,次信号位于热带中东太平洋。太平洋海气系统一致性地在20世纪70年代中后期前后发生了一次显著的年代际跃变,其结果导致北太平洋中西部(北美西岸和热带中东太平洋)海表面温度(SST)异常偏冷(暖);热带西(中东)太平洋500米上层海洋热容量异常偏冷(暖);海平面气压(SLP)场上阿留申低压异常增强、位置偏东偏南,而热带太平洋则呈现南方涛动(SO)的年代际变化特征;500hPa高度场表现为PNA遥相关正位相时的异常环流特征。与北太平洋SST年代际异常相联系的局地中低层大气异常具有所谓的“相当正压结构”。 二、PDO与ENSO、NAO、AO的联系与区别PDO与ENSO关系密切,也与北大西洋涛动(NAO)、北极涛动(AO)存在一定联系。作为两种不同时间尺度上的气候变率信号,PDO和ENSO之间存在相互作用。PDO在热带太平洋表现为与ENSO空间型相似的(ENSO-like)年代际振荡模态,对年际ENSO循环特征具有调制作用,当PDO处于冷(暖)位相期,有利于LaNi(~n)a(ElNi(~n)o)事件的发生;反之,ENSO也可作为一种年际尺度变率对PDO的形成和维持产生重要影响。PDO与NAO、AO之间的同期相关很小,但NAO、AO都对PDO有约两年的滞后响应;在1970s以前(以后),NAO、AO年代际突变时间超前(滞后)于PDO。 三、太平洋海气系统准20年和准50年振荡模态的时空结构和演变特征太平洋海气系统年代际变率具有多时间尺度特征,即主要存在准20年和准50年振荡模态,二者有各自不同的时空结构和演变特征。准20年模态的SST异常空间分布类似于典型的PDO海温异常分布型,并大致关于赤道南北对称,在其位相转变期,阿拉斯加湾附近的SST异常向西南方缓慢地向北太平洋中部传播,从而改变了那里初始的SST异常,并且北太平洋中部SST异常变化明显超前黑潮及其延续体(KOE)地区约4~5年;相应的北太平洋SLP异常在成熟位相期为相同信号,而在位相转换期则表现为类似于北太平洋涛动(NPO)的振荡型。准50年模态的SST异常空间分布主要表现为北太平洋中西部SST异常与热带中东太平洋SST异常呈相反变化,热带东南太平洋SST异常首先沿北美沿岸缓慢地向中高纬传播,随后热带西太平洋也有SST异常沿太平洋西部向北传播,最后这两支SST异常信号在北太平洋中西部汇合,导致那里SST异常发生位相转变,相应的北太平洋SLP异常在成熟位相期表现为类似于NPO的振荡型,而在位相转换期为相同信号。这两种时间尺度年代际模态具有明显不同的时空结构和演变特征,表明二者可能源于不同的物理机制。 利用一个具有较高分辨率的全球海洋环流模式(MOM2)在1945~1993年COADS逐月平均资料的强迫下进行模拟试验,结果表明:MOM2较好地模拟出了与观测资料相一致的1945~1993年间太平洋SST异常准20年模态的时空演变过程;模式还很好地再现了北太平洋中部SST异常变化超前于KOE区约4~5年这一重要特征,这对于正确理解太平洋SST异常准20年模态的形成机制是十分重要的。 四、冬季太平洋SST异常与北半球大气环流异常年际和年代际共变模态的时空特征比较利用绕极涡分析途径,揭示出冬季太平洋SST与北半球中纬度大气环流异常之间主要表现为两种时空结构显著不同的共变模态,即年际的ENSO模态和准20年时间尺度的年代际北太平洋模态。前者海洋异常表现为典型的ENSO型SST异常分布;大气异常为PNA型遥相关波列,局限于太平洋—北美地区,具有局域性特征。后者SST异常则主要限于中纬度北太平洋地区,表现为北太平洋中西部与北美西岸SST异常呈反相变化;大气异常与中纬度整个西风带定常槽脊系统异常有密切关系,并具有纬向全球性特征。进一步对大西洋分析表明,冬季大西洋和太平洋SST异常与北半球大气环流异常之间具有时空结构十分相似的共变模态。 利用全球大气环流模式(CCM3)和逐月变化的全球SST观测资料,设计运行了SST异常强迫的长期积分试验,模式较好地模拟出这两种共变模态的时空特征,并再现了冬季大西洋和太平洋有时空结构相类似的年代际共变模态。因此,观测资料分析和数值模拟结果均表明中纬度海气系统年代际变率与“两个海洋与一个大气”耦合相互作用机制有关。 五、PDO与东亚大气环流异常的关系及其对中国气候年代际变化的直接影响PDO与东亚大气环流及中国气候年代际变化关系密切,PDO处于不同位相期可造成相反的中国气候年代际异常。对应于PDO暖位相期,在冬季,阿留申低压增强,蒙古高压也增强(但东西伯利亚高压减弱),中国东北、华北、江淮以及长江流域降水偏少,东北、华北和西北气温异常显著偏高,而西南和华南气温偏低;在夏季,海平面气压在北太平洋的负异常较弱,而在东亚大陆的正异常较强,东亚夏季风偏弱,西太平洋副高偏南偏强,热带太平洋信风减弱,赤道西风增强,此时华北降水异常偏少而长江中下游、华南南部、东北和西北降水异常偏多,东北、华北及华南气温异常偏高,而西北、西南和长江中下游气温异常偏低。对应于PDO冷位相期,上述形势相反。 六、PDO作为年际变率的年代际背景对ENSO与中国气候异常关系的调制作用PDO作为年际变率的年代际背景对ENSO与中国气候异常关系具有明显的调制作用,在PDO不同位相期,处于不同阶段的ENSO事件对中国气候的影响在大部分地区可表现为明显的不同。在PDO冷位相期,在ENSO事件发展阶段,华南夏季降水偏少,东北夏季多低温;在其衰减阶段,华北和长江流域降水偏多,淮河地区降水偏少;在其爆发前的冬季,中国东部气温异常偏低,“冷冬”现象显著;在其成熟期的冬季,中国东部(但东北异常偏冷)及西南地区气温异常偏高,“暖冬”现象显著。而在PDO暖位相期,在ENSO事件发展阶段,华南降水变为异常偏多,而华北降水异常偏少,东北低温不再显著;在其衰减阶段,华北降水变为偏少,长江流域降水更加异常偏多,淮河地区则趋于正常;在其爆发前的冬季,中国东部气温偏高,“冷冬”现象不再明显;在其成熟期的冬季,中国东部(包括东北)气温异常偏高,“暖冬”现象更显著,而西南地区气温却异常偏冷。 对全球大气再分析资料合成分析和用CCM3数值模拟试验结果均表明,在PDO不同位相期ENSO引起的东亚大气中高纬度异常环流形势发生了明显改变是造成ENSO和中国气候年际异常关系发生年代际变化的原因。由于受到PDO调制作用的影响,ENSO事件与东亚夏季风和西太平洋副高的关系也发生明显的年代际变化。 收起<<

  • 【作者】

    朱益民 

  • 【学科专业】

    气象学

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    南京大学

  • 【导师姓名】

    杨修群

  • 【学位年度】

    2004

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    太平洋年代际振荡  年代际变率  年际变率  中国气候变率  准20年模态  准50年模态  共变模态  气象学